evolutionary algorithm
در نشریات گروه آب و خاک-
شکست یک سد خاکی می تواند موجب بروز بحرآن های شدید در ناحیه سیلاب زده پایین دست گردد. لذا تعیین دقیق ویژگی های شکافت و جریان در ارزیابی خطرهای حاصل از خرابی سد از اهمیت به سزایی برخوردار است. در این تحقیق از مدل های آزمایشگاهی با مصالح دآنه ای در اندازه و خصوصیت های مکانیکی مختلف برای مطالعه فرسایش و نقش آن در گسترش هندسی شکافت استفاده شده است. از رگرسیون چندمتغیره در توسعه رابطه جدید برای تعیین دبی اوج (Qp) بهره گیری شده که در آن پراسنجه های بدنه سد در کنار پراسنجه های هیدرولیکی به کار رفته اند. نتیجه ها نشان می دهد مشارکت این ویژگی ها توانسته کارآیی را در تعیین Qp حاصل از شکست سد خاکی ارتقا دهد. از آنجایی که نرخ تکامل عرض متوسط شکافت (Bave) و عمق آن (Hb) نقش اثرگذاری بر آب نمود خروجی دارد، علاوه بر ارایه رابطه های جدید برای این دو پراسنجه، با مشارکت منابع مختلف داده ای و استفاده از برنامه ریزی بیان ژن (GEP) در تعیین آن، محدوده تغییرات جدیدی برای نسبت های بی بعد Hb بر ارتفاع سد (Hd) و نیز Bave بر عرض بالایی (Bt) و پایینی آن (Bb) معرفی و خروجی آن به سدهای لغزشی نیز بسط داده شده است. بر مبنای شاخص های عملکردی و آماری در رابطه ها، مقدارهای ضریب R2 برای Qp معادل با 91/0، برای Bave معادل با 99/0 و برای Hb برابر با 97/0 به دست آمده است.کلید واژگان: مدل ریاضی، روابط تجربی، الگوریتم تکاملی، رگرسیون غیرخطی، ویژگی های شکافتAccurate prediction of dam breach parameters in embankment dams is an essential step in the risk management plan. Overtopping and piping are the leading causes of embankment failure in the world. The failure of this type of dam is typically proposed by hydrological and hydraulic computational models of the dam (Wahl, 1998). The relationships for assessing the breach and flow characteristics are generally obtained by artificial intelligence and regression analysis from case studies of historical dam failure. These models relate the input parameters such as the dam height (Hw) and the flow volume through the breach (Vw) to the observed breach parameters resulting from the actual failures. Several relationships have been proposed to calculate Qp as a function of Hw and Vw (De Lorenzo & Macchione, 2014; Hagen, 1982; Kirkpatrick, 1977; Singh & Snorrason, 1984; Hakimzadeh et al., 2014). Downstream sediment transport studies show that breach geometry directly affects the output hydrograph. Investigations on historical records for Qp determination show that Hw and Vw could provide more accurate results than El and Ew. Moreover, the combination of these parameters significantly increases computational accuracy (Thornton et al., 2011; Wang et al., 2018). Several laboratory and field studies have been performed to investigate the hydraulic properties of the breach and the output hydrograph in overtopping failure cases (Dhiman & Patra, 2017; Sadeghi et al., 2020; Vaskinn et al., 2004). Determination of the average breach width (Bave) is an essential factor in determining progressive erosion (Von Thun & Gillette, 1990; Froehlich, 1995) as well as the height of breach (Hb). The range of variation in Bave as a function of the dam height (Hd) is an important issue in the breach lateral evolution process (Johnson & Illes, 1976; Singh & Snorrason, 1984).Keywords: Mathematical model, Experimental Relations, Evolutionary algorithm, Nonlinear Regression, Breach characteristics
-
برآورد صحیح غلظت رسوبات رودخانه ها برای برنامه ریزی و مدیریت پروژه های منابع آب اهمیت دارد.روش های مختلفی برای تعیین ارتباط بین دبی جریان ومقداررسوب توسعه یافته است.منحنی سنجه رسوب یکی از متداول ترین روش های برآوردرسوب معلق رودخانه هامی باشد که با خطای زیادی همراه است.به منظورتخمین بهترمیزانرسوببا منحنیسنجه،می توان ضرایب این معادله رابا روش های هوش مصنوعی بهینه کرد.هدف این تحقیق استفاده ازالگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی ضرایب معادله سنجه رسوب رودخانه های گرگانرود (ایستگاه قزاقلی) و فریمان(ایستگاه باغ عباسی) می باشد. بدین منظور، آماردبی جریان وغلظت رسوب معلقبرای سال های 1388-1350برای ایستگاه قزاقلی و سال های 1388-1347 برای ایستگاه باغ عباسی اخذ شد و منحنی سنجه رسوب با استفاده از 70 درصد داده ها به عنوان داده های آموزش به دست آمد. به منظور بهینه سازی ضرایب، مدل الگوریتم ژنتیک در نرم افزارMATLAB2017برنامه نویسیشد.نتایجبه دست آمدهنشان دادکه مدل الگوریتم ژنتیک برای ایستگاه قزاقلی و باغ عباسی به ترتیب با ضریب نش- ساتکلیف 0/5، 0/72و ضریب تعیین 0/5 و 0/89 عملکرد بهتری نسبت به منحنی سنجه رسوب داشته است. همچنین الگوریتم ژنتیک برای ایستگاه باغ عباسی با تعداد نمونه کم از دقت بهتری نسبت به روش منحنی سنجه برخوردار است. نتایج دلالت بر کارایی مناسب الگوریتم ژنتیک در بهینه سازی رابطه دبی و رسوب به ویژه در ایستگاه های با داده کم دارد.کلید واژگان: الگوریتم تکاملی، بهینه سازی، رسوبدهی، رسوب معلق، منحنی سنجه رسوبThe proper estimation of sediment yield of rivers is important for planning and managing water resources. Various methods have been developed to determine the relationship between discharge and sediment concentration. Sediment rating curve is one of the most common methods for estimating the suspended sediment yield in rivers, which is always associated with a large error. In order to improve estimation of sediment yield using sediment rating curve, the equation coefficients can be optimized using artificial intelligence methods. The purpose of this research is to use a genetic algorithm to optimize the Sediment rating equation coefficients for Gorganroud river (Ghazaghli station) and Fariman river (Bagh Abbasi station). With this aim in mind, discharge and suspended sediment concentration data have been acquired for the stations. Sediment rating curve equation was calculated for each station with training data. Then an optimal coefficient of equation was achieved using genetic algorithm model defined in MATLAB 2017 software. The study results showed that the genetic algorithm model for Ghazaghli and Bagh Abbasi stations had a better performance than the sediment rating curve with the Nash-Sutcliff coefficient of 0.5 and 0.72 and coefficient of determination of 0.5 and 0.89, respectively. Also, the genetic algorithm for Bagh Abbasi Station with the limited samples has better accuracy than the sediment rating curve method. The study results indicate a high performance of the genetic algorithm in optimizing the coefficients of Sediment rating curve equation, especially in low data stations.Keywords: Evolutionary Algorithm, optimization, Sediment yield, Suspended Sediment, Sediment rating curve
-
تعیین مقدار رسوب حوضه و توزیع مکانی آن با اندازه گیری های میدانی در عمل با چالش جدی مواجه است. از این رو، مدل های مختلف، به منظور شبیه سازی فرسایش خاک و برآورد رسوب استفاده می شود. مدل SWAT یکی از مدل های هیدرولوژیکی نیمه فیزیکی و نیمه توزیعی است که در سال های اخیر کاربرد گسترده ای داشته است؛ اما شبیه سازی رسوب این مدل نسبت به دبی جریان با خطای زیادی همراه می باشد که بخشی از آن به دلیل استفاده از روش های تجربی هم چون منحنی سنجه رسوب برای برآورد رسوب می باشد. از این رو، در این تحقیق برای شبیه سازی رواناب و رسوب در حوزه سد فریمان از قابلیت های الگوریتم ژنتیک به منظور بهینه سازی رابطه دبی– رسوب استفاده گردید. بدین منظور مسئله بهینه سازی الگوریتم ژنتیک به صورت یک فضای جستجو از مقادیر پیوسته ضرایب رابطه دبی- رسوب، در نرم افزار MATLAB برنامه نویسی شد و ضرایب بهینه تعیین گردید. نتایج تحقیق، عملکرد بهتر الگوریتم ژنتیک در برآورد رسوب با ضریب نش- ساتکلیف 46/0، ضریب تعیین 72/0 و ریشه میانگین مربعات خطا 9/70 نسبت به منحنی سنجه را نشان می دهد. از این رو داده های حاصل از این روش برای آنالیز حساسیت، واسنجی و اعتبارسنجی مدل SWAT استفاده گردید. در ارزیابی مدل، ضریب نش ساتکلیف دبی ماهانه برای دوره 7 ساله واسنجی و دوره 3 ساله اعتبارسنجی به ترتیب 75/0 و 85/0 و برای رسوب ماهانه به ترتیب 73/0 و 76/0 به دست آمد. نتایج تحقیق بیانگر کارایی خوب مدل SWAT در شبیه سازی رواناب و رسوب می باشد، همچنین استفاده از الگوریتم ژنتیک به منظور بهینه سازی رابطه دبی– رسوب نقش مهمی در تعیین مقادیر رسوب و دقت شبیه سازی مدل داشته است.
کلید واژگان: الگوریتم تکاملی، بهینه سازی، رسوب دهی، شبیه سازی آبخیز، منحنی سنجهIntroductionDetermining the amount of watershed sedimentation and its spatial distribution by using field measurements in practice faces a serious challenge. In recent decades, hydrological models have been widely used by hydrologists and water resource managers as a tool for analysing water resource management systems. The SWAT model is one of the semi-physical and semi-distributed hydrological models that have been widely used in recent years. Despite the wide use of the SWAT, simulation of the sediment has been associated with a large error in comparison to flow. These errors may come from using empirical methods such as the sediment rating curve for estimating sediment based on measured data. Therefore, in this research, the capabilities of the genetic algorithm (GA) were used to optimize the relationship between discharge and sediment and further optimal equation used for calibration and validation of the model.
Materials And MethodsThe studied area is Fariman dam watershed with an area of 278.8 km2 which is located at latitude of 35 ˚ 33' to 35˚ 41' and longitude of 59 ˚ 34' to 59 ˚ 44' in Razavi Khorasan province. In this study, SWAT model was used to simulate runoff and sediment yield of Fariman dam watershed. In order to run the model, meteorological and hydrometric data including daily rainfall and maximum and minimum temperatures and sediment yield and discharge data, soil and land use maps of the watershed were achieved from relevant resources. The capabilities of the genetic algorithm were used to optimize the discharge -sediment relationship and were compared with sediment rating curve. For this purpose, optimization problem was defined for the genetic algorithm in MATLAB software as a search space of continuous values of the discharge sediment coefficients. After that, sediment yield was extracted based on discharge data and calculated monthly sediment for SWAT calibration and validation. Sensitivity analysis, calibration and validation of the model were performed using the SUFI-2 algorithm using SWAT-CUP software. For this purpose using high sensitive parameters, the model was calibrated and validated for the period of 1991 to 2000.
Results And DiscussionOptimal coefficients extracted by GA indicate a better performance of the genetic algorithm in estimating the sediment yield. The comparative results of the sediment estimation models, revealed better performance of the genetic algorithm with RMSE = 70.9, NSE =0.46 and R2= 0.72 than the sediment rating curve. According to senetivity analysis of SWAT model, twelve parameters for stream flow and seven parameters for sediment yield were found to be sensitive. The most sensitive parameters for stream flow were SCS runoff curve number (CN2), effective hydraulic conductivity in tributary channel (CH_K1) and base flow alpha factor for bank storage (ALPHA_BNK) and the most sensitive parameters for sediment yield were peak rate adjustment factor for sediment routing, USLE equation soil erodibility factor (USLE_K), sediment concentration in lateral flow and groundwater flow (LAT_SED) and exponent parameter for calculating sediment reentrained in channel sediment routing (SPEXP). The SWAT calibration and validation results showed that the Nash-Sutcliffe efficiency index for monthly sediment and discharge for calibration period was 0.75 and 0.73, respectively and in the validation period was 0.85 and 0.76, respectively. Calibration and validation of the SWAT model was done with genetic algorithm model as an optimal method for deriving sediment data from measured daily discharge. The Nash-Sutcliffe efficiency coefficient for monthly discharge was 0.75 and 0.85 in the calibration and validation periods. Nash-Sutcliffe efficiency coefficients for monthly sediment yield were 0.86 and 0.81 for the same periods. SWAT evaluation results indicate that the model simulation is acceptable for predicting sediment yield and river flow. The performance of SWAT model in predicting of sediment in low flow is poor, which can be due to the effect of the parameters and model simplifications in the simulation of the sediment load.
ConclusionsIn this research, simulation of runoff and sediment flow for Fariman dam watershed was performed using SWAT model. For this purpose, the capabilities of the genetic algorithm were used to optimize the relationship between discharge and sediment yields; then the results were used to calibrate and validate the SWAT model. The results indicate that genetics algorithm can be used for optimizing coefficient of sediment discharge equation and the result is better than sediment rating curve. Simulation of watershed hydrology using SWAT shows that the capability of the model in prediction of sediment yield and water flow is good. Using genetic algorithm to optimize the relationship between discharge and sediment has an important role in extracting daily sediment yield and simulation accuracy of the model. Also, the use of evolutionary algorithms can have a significant role in extracting the discharge -sediment relations, which usually is accompanied with a large error in experimental models such as a sediment rating curve.
Keywords: Evolutionary algorithm, Fariman dam, Sediment yield, Watershed simulation -
امروزه با افزایش نیازهای آبی، تعادلی بین عرضه و تقاضای آب در اکثر مناطق کشور وجود ندارد. از اینرو، مدیریت صحیح آب و استفاده بهینه از منابع آب موجود، امری اجتناب ناپذیر است. از این رو، استفاده از روش های بهینه سازی در این زمینه می تواند مفید واقع شود. روش های بهینه سازی تکاملی از جمله روش های مورد نظر در این زمینه می باشند که عملکرد مناسب آنها بسیار گزارش شده است. الگوریتم بهینه سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی (BBO) الگوریتم تکاملی جدیدی است، که عملکرد و کارایی آن در چندین مسئله بهینه سازی به اثبات رسیده است. هدف از این پژوهش بررسی کارایی BBO برای اولین بار در مدیریت منابع آب است. ابتدا BBO در یافتن نقاط بهینه برای سه تابع معیار در بهینه سازی، شامل تابع کره، روزنبراک و بوکین6 مورد استفاده قرار گرفت، سپس از BBO در بهره برداری بهینه از مخزن کارون4 با هدف برقابی بهره برداری گردید. به منظور ارزیابی کارایی BBO، از الگوریتم ژنتیک (GA) و برنامه ریزی غیرخطی (NLP) نیز در این مسائل استفاده شد. نتایج مربوط به توابع معیار نشان دادند که BBO در یافتن نقاط بهینه هر سه تابع بهتر از GA عمل نموده، و با دقت بالایی به جواب بهینه نزدیک شده است. در بهره ورری از مخزن کارون4 نیز نتایج حاکی از کارایی BBO در استخراج سیاست های بهینه بهره برداری بود، به نحوی که مقدار تابع هدف حاصل از BBO در بهترین عملکرد برابر با 223/1، و برای GA برابر با 535/1 به دست آمده است. همچنین، جواب بهینه مطلق حاصل از NLP برای این مسئله 213/1 بوده است.کلید واژگان: الگوریتم های تکاملی، بهینه سازی، بهینه سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی، بهره برداری از مخزنNowadays, along with an increase in water needs, there is no balance between water demand and water supply in most regions of the country. Therefore, planning an appropriate policy to strike a balance between a declining water supply and an increasing demand to prevent a crisis is of utmost importance. The use of optimization methods in this context can be useful. Evolutionary algorithm methods are known as appropriate methods in this regard, and their suitable performance have been reported. Biogeography-based optimization (BBO) is a new evolutionary algorithm which its high performance in some aspects has been proved. The main objective of this study was to assess the performance of BBO in water resources management for the first time. Firstly, BBO was used for finding optimal points of three benchmark function including Sphere, Rosenbrock, and Bukin6; secondly, it was applied for an optimal operation of the Karon4 Reservoir with the aim of hydropower generation. In order to evaluate the performance of BBO, in addition to this method, the genetic algorithm (GA) and the nonlinear programming (NLP) were employed. The results of benchmark function showed that BBO delivered a better performance than the GA in finding the optimal points of three functions. Moreover, BBO reached an optimal solution with a higher degree of accuracy. In operation of the Karon 4 Reservoir, the results also indicated the high efficiency of BBO in extracting optimal operational policies in such circumstances; the objective function value of BBO at the best performance was 1.223, and, that for GA was 1.535. Furthermore, the global optimal solution obtained from NLP for this problem was 1.213.Keywords: Evolutionary Algorithm, optimization, biogeography-based optimization, operation of reservoir
-
تاکنون الگوریتم ها و روش های بهینه سازی مختلفی در بهره برداری بهینه از مخازن با اهداف مختلف بکار گرفته شده اند. به تازگی، از الگوریتم بهینه سازی فاخته(COA) ، به عنوان یک الگوریتم تکاملی (EA) جدید، در حل تعدادی از توابع معیار و مسائل واقعی بهره وری گردیده، و عملکرد و توانایی بالای آن در حل مسائل بهینه سازی دشوار گزارش شده است. هدف این مقاله بررسی کارایی COA در سامانه ی منابع آب، به منظور استخراج سیاست های بهره وری بهینه برای یک مخزن با هدف برقابی می باشد. به این منظور، عملکرد این الگوریتم دریک دوره ی 30 ساله بهره برداری از مخزن کارون4 مورد بررسی واقع شد، و دستاوردهای آن با نتایج به دست آمده از الگوریتم ژنتیک (GA) مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج حاکی از آن بودند که COA توانایی بالاتری را در رسیدن به جواب بهینه نسبت به GA از خود نشان داد. مقدار متوسط تابع هدف با استفاده از الگوریتم های COA و GA به ترتیب برابر با 34/6 و 28/9 بوده است. علاوه بر این، جواب بدست آمده از COA فاصله کمی را با جواب بهینه ی مطلق دارد.کلید واژگان: الگوریتم بهینه سازی فاخته، الگوریتم ژنتیک، بهره برداری بهینه، الگوریتم تکاملیMany algorithms and methods have been applied, so far, in order to operate reservoirs, optimally. Recently, the Cuckoo Optimization Algorithm (COA) as a new Evolutionary Algorithm (EA) has been utilized for solving a number of bench mark functions and real problems, and high performance and efficiency has been reported for solving difficult optimization problems. The main objective of the current study was an assessment of the COA efficiency in water resource systems in order to extract optimal operation policy for a reservoir with hydropower application. An application of this algorithm in a thirty-year operation of the Karun4 Reservoir was evaluated. The results were compared with those results of Genetic Algorithm (GA) outcomes. The results showed that the COA has a greater ability to reach optimal solution in comparison with the GA. The mean values of the objective functions were 6.34 and 9.28 for the COA and GA algorithms, respectively. Furthermore, the obtained results by the COA showed less difference to the global optimum.Keywords: Cuckoo Optimization Algorithm, genetic algorithm, Optimal Operation, Evolutionary Algorithm
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.